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Die Erfindung betrifft einen Einspritzkühler zur Kühlung von in einer Rohrleitung geführtem Heißdampf gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Anlagen, die mit Dampf als Energiequelle arbeiten, beispielsweise Anlagen von Energieerzeugungsunternehmen, Blockheizkraftwerke oder Chemieanlagen, sind gewöhnlich so berechnet, dass der verwendete Dampf am Zielort eine bestimmte Temperatur und einen bestimmten Druck aufweisen muss. Allerdings ist der vom Dampfkessel erzeugte Dampf zunächst meist überhitzt, so dass dieser auf die geforderte Temperatur abgekühlt werden muss. Hierzu verwendet man sogenannte Einspritzkühler, die unmittelbar in die Dampfleitung eingesetzt werden und ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in den Dampfstrom einspritzen. Das eingespritzte Wasser wird aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem Wasser und dem Dampf in der Dampfleitung zerstäubt. Es verdampft und überhitzt, während der Dampf selbst abkühlt.
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Bekannte Einspritzkühler bestehen gewöhnlich aus einem Gehäuse mit einem Zulauf für das Kühlmittel und einem in die Dampfleitung hineinragenden Einspritzzylinder, der sogenannten Kühllanze, die mehrere Einspritzdüsen trägt. In dem Gehäuse ist ein Regelkolben geführt, der mit einem Ende in dem mit dem Gehäuse verbundenen Einspritzzylinder längsverschieblich gelagert ist und dort im Bereich der Einspritzdüsen einen Lochkegel trägt. Abhängig von der Temperatur in der Dampfleitung führt der Kolben entsprechend einem Reglersignal eine Hubbewegung aus und gibt dabei – je nach Hubstellung – einen bestimmten Steuerquerschnitt im Lochkegel für den Eintritt des Kühlmittels in den Kolben frei. Gleichzeitig werden Regelbohrungen zu den Düsenkammern in den Einspritzdüsen freigegeben, wodurch das Kühlmittel in den Dampfstrom gelangt (siehe beispielsweise
EP 0 682 762 B1 ).
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Derartige Einspritzkühler haben den Nachteil, dass der Regelkolben während seiner Stellbewegung die Düsenöffnungen nur anhand ihrer jeweils getroffenen linearen Anordnung der Reihe nach freigeben kann, d.h. die Einspritzdüsen können immer nur von oben nach unten oder von unten nach oben in feststehender Reihenfolge zugeschaltet werden, was sich innerhalb der Dampfleitung ungünstig auf die Kühlmittelverteilung und damit ungünstig auf die Abkühlung des Heißdampfes auswirkt. Ferner besteht die Gefahr der Kondenswasserbildung, die eine effiziente Abkühlung des Heißdampfs behindert und zu Thermoschocks führen kann. Die Dichtungen und Führungselemente des Kolbens werden aufgrund des meist sehr hohen Leitungsdrucks von 20 bar bis über 300 bar sehr stark beansprucht, so dass die Lebensdauer des Einspritzkühlers begrenzt ist. Kurze Wartungsintervalle sind die Folge; die Betriebskosten sind sehr hoch.
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In
DE 198 30 244 A1 ist ein Einspritzkühler beschrieben, welcher eine Kühlwasserzuführarmatur aufweist, die an einem Dampfrohr festlegbar ist. Die Kühlwasserzuführarmatur hat einen Nadelverschluss umfassend eine axial verschiebbare Nadel, welche mit einem Ventilsitz korrespondiert. Von der Kühlwasserzuführarmatur geht hinter dem Nadelverschluss ein Düsenrohr ab, welches in das Dampfrohr hineinragt. An dem Düsenrohr ist wenigstens eine Düse angeordnet, welche quer zur Längsrichtung des Düsenrohres und in Längsrichtung des Dampfrohres ausgerichtet ist. In Abhängigkeit des Wasser- und Dampfdruckes stellt sich die Düse selbst ein. Hierfür hat die Düse eine federnd gelagerte Ventilnadel, welche sich in Abhängigkeit des Wasser- und Dampfdruckes relativ zur Düsenöffnung verschiebt.
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Auch
US 4,512,520 A sieht eine Verschlussnadel vor. Die Verschlussnadel hat hier ein sich konisch aufweisendes Ende, welches in einer konischen ersten Düsenöffnung sitzt. In Richtung der Geschlossenstellung ist die Verschlussnadel mit einer Feder kraftbeaufschlagt. Die erste Düsenöffnung ist von einer koaxial angeordneten, hohlen zweiten Verschlussnadel ausgebildet. Auch diese zweite Verschlussnadel ist axialverschiebbar und hat ebenfalls ein sich konisch aufweitendes Ende. Dieses Ende sitzt in einer konischen Düsenöffnung im Düsenrohr. Je nach axialer Stellung der ersten und zweiten Verschlussnadel kann Kühlmittel zwischen der ersten Düsennadel und der zweiten Düsennadel und/oder zwischen der zweiten Düsennadel und dem Düsenkörper austreten.
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Gemäß
AT 400 616 B ist ein Einspritzkühler mit einem Düsenrohr und einem im Düsenrohr längsverschieblich bewegbaren Hubkolben ausgestattet. Auf der Eintrittsseite mündet eine Zuleitung in das Düsenrohr. In dem Hubkolben ist eine Hauptbohrung vorgesehen, welche auf der Seite der Zuleitung geschlossen ausgebildet ist. In die Hauptbohrung münden axial beabstandete Querbohrungen im Hubkolben. In Abhängigkeit der Hubstellung des Hubkolbens wird die Hauptbohrung über unterschiedlich viele Querbohrungen mit der Zuleitung strömungsverbunden. Somit kann ein Kühlmittel von der Zuleitung durch den Hubkolben strömen. Zwischen dem Hubkolben und dem Düsenrohr ist beabstandet zu den Querbohrungen ein Ringspalt vorgesehen, sodass das Kühlmittel hier rückwärts hineinströmen kann. Weiterhin sind in Axialrichtung beabstandet zueinander Einspritzdüsen am Düsenrohr angeordnet. In Abhängigkeit von der Hubstellung des Hubzylinders werden unterschiedlich viele Einspritzdüsen mit dem Ringspalt verbunden.
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Um eine effizientere Kühlmittelverteilung zu erreichen und um die Lebensdauer der Dichtungen und Führungselemente zu erhöhen, wurden Einspritzkühler mit Drehsystemen entwickelt. Diese verwenden – wie z.B. in
DE 85 33 682 U1 offenbart – für den Kühlmittelzufluss eine Kugelspindel, die in einem Gehäuse um eine Längsachse des Einspritzkühlers drehbar gelagert ist. Der Kühlmittelanschluss liegt über einen Sitzring dichtend an der Kugel der Kugelspindel an. Dreht man diese von der Schließstellung in die Öffnungsstellung, wird der Kühlmittelzufluss über ein Lochbild in der Kugelwandung definiert freigegeben. Das Kühlmittel strömt durch die Kugel der Spindel hindurch in das Gehäuse ein. Von dort aus wird es über Bohrungen in der Kugelspindel in eine darunter liegende rohrförmige Düsenspindel eingeleitet, die drehfest mit der Kugelspindel gekoppelt ist und koaxial zur Längsachse des Einspritzkühlers im Einspritzzylinder angeordnet ist. Dieser ist endseitig mit den Einspritzdüsen versehen. In deren Bereich ist die Düsenspindel mit einem Lochbild versehen, das derart ausgebildet ist, dass in Schließstellung der Kugelspindel sämtliche Einspritzdüsen verdeckt und damit geschlossen sind. Dreht man die Kugelspindel und mit dieser die Düsenspindel um die Längsachse in Öffnungsrichtung werden die Einspritzdüsen nach und nach von der Mitte aus symmetrisch freigegeben.
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Aus Effizienzgründen müssen Einspritzkühler in modernen Anlagen immer höhere Differenzdrücke beherrschen. Daher stoßen die bislang bekannten Systeme meist rasch an ihre Grenzen. Zwar können sich in Einspritzkühlern mit Hubsystemen bis zu drei Drosselstufen befinden, was die Handhabung von Differenzdrücken von bis zu 130 bar ermöglicht. Diese Systeme behalten jedoch die oben geschilderten Nachteile in Bezug auf Kühlleistung und Standzeiten.
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Einspritzkühler mit Drehsystemen hingegen gibt es gewöhnlich nur mit zweistufiger Drosselung, wobei sich die erste Drosselstufe direkt in der Kugel der Kugelspindel befindet. Die zweite Drosselstufe liegt – analog zu einem Hubsystem – vor den Einspritzdüsen im Einspritzzylinder, namentlich die Düsenspindel. Allerdings wird in
DE 85 33 682 U1 bereits die Ausbildung einer dritten Drosselstufe zwischen Kugelventil und Düsenspindel vorgeschlagen, indem die herkömmlichen Querbohrungen in der Kugelspindel, über die das Kühlmittel der Düsenspindel zugeführt wird, durch Steuerschlitze und ein zusätzliches Bauteil ersetzt werden. Eine konkrete technische Umsetzung, die es dauerhaft und zuverlässig ermöglicht, Differenzdrücke von bis zu 130 bar oder mehr zu erreichen, wird jedoch nicht offenbart.
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Ziel der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und einen verbesserten Einspritzkühler zu schaffen, der mit einfachen Mitteln kostengünstig aufgebaut und selbst bei sehr hohen Differenzdrücken dauerhaft zuverlässig einsetzbar ist. Der Einspritzkühler soll ferner über einen möglichst kurzen Stellweg eine vollständige Drosselung ermöglichen und mit geringem Energieaufwand eine hohe Kühleffizienz gewährleisten. Angestrebt wird insbesondere eine hohe und über den Querschnitt der Rohrleitung gleichmäßige Kühlleistung.
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Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.
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Bei einem Einspritzkühler zur Kühlung von in einer Rohrleitung geführtem Heißdampf, mit einem in einem Gehäuse um eine Längsachse drehbar gelagerten Regelorgan, mit einem Anschluss für eine Kühlmittelversorgung, wobei das Kühlmittel über einen Zulaufkanal dem Regelorgan zugeführt wird, und wobei das Regelorgan mit wenigstens einer Steueröffnung für den Durchlass des Kühlmittels versehen ist, mit einem Einspritzzylinder, der mit Einspritzdüsen versehen ist, mit einer in dem Einspritzzylinder um die Längsachse drehbar gelagerten Düsenspindel, wobei die Düsenspindel im Bereich der Einspritzdüsen mit Steueröffnungen für den Durchlass des Kühlmittels versehen ist, und wobei das Regelorgan und die Düsenspindel drehfest miteinander gekoppelt sind, und mit einer zwischen dem Regelorgan und der Düsenspindel angeordneten weiteren Drosselstufe für das Kühlmittel, sieht die Erfindung vor, dass die weitere Drosselstufe von einer Zylinderhülse und einem Ventilelement gebildet ist, wobei in der Zylinderhülse Steueröffnungen für den Durchlass des Kühlmittels ausgebildet sind, und wobei das Ventilelement auf dem Außenumfang der Zylinderhülse aufsitzt und in Abhängigkeit von der Drehstellung des Regelorgans die Steueröffnungen in der Zylinderhülse verschließt.
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Dadurch besitzt der Einspritzkühler insgesamt drei Drosselstufen, die es ermöglichen, Differenzdrücke von bis 150 bar prozesssicher beherrschen zu können. Die erste Drosselstufe wird von dem Regelorgan und den darin vorgesehenen Steueröffnungen gebildet. Die in der Zylinderhülse eingebrachten Steueröffnungen realisieren gemeinsam mit dem auf dem Außenumfang der Zylinderhülse aufliegenden Ventilelement eine zweite Drosselstufe, während die Düsenspindel mit ihren eingebrachten Steueröffnungen eine dritte Drosselstufe bildet. Das Ventilelement der zweiten Drosselstufe ist dabei derart ausgebildet, das es in einer Ausgangsposition sämtliche Steueröffnungen in der Zylinderhülse verschließt, so dass der Kühlmittelzufluss sicher unterbrochen ist. Drehen sich hingegen das Regelorgan und die Zylinderhülse im Verhältnis zu dem in seiner Position verbleibenden Ventilelement, so werden nach und nach in einer definierbaren Reihenfolge die Steueröffnungen in der Zylinderhülse geöffnet. Das Kühlmittel gelangt in definierter Menge und mit definiert reduziertem Druck in die Düsenspindel. Nach Erreichen der Öffnungsstellung, z.B. nach einer Drehung des Regelorgans um 90°, erreicht die Zylinderhülse relativ zu dem Ventilelement ihre Endposition, in der die maximale Öffnung der Steueröffnungen vorliegt.
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Der erfindungsgemäße Einspritzkühler verbindet damit die Vorteile eines Drehsystems mit der Möglichkeit, mittels einer weiteren Drosselstufe Differenzdrücke von 100 bis 150 bar zu realisieren, wobei eine deutlich verbesserte Kühleffizienz erreicht wird, weil das Kühlmittel immer mittig und symmetrisch an der Stelle der höchsten Dampfgeschwindigkeit eingesprüht wird. Dadurch wird der Verlust der Kühlleistung durch am Rohr kondensierendes Kühlmittel vermieden.
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Der Einspritzkühler weist überdies trotz der hohen Druckdifferenzen zudem eine deutlich verringerte Verschleißanfälligkeit auf, weil für das Öffnen und Schließen der Einspritzdüsen nur einzelne Drehimpulse ausgeführt werden müssen und das System insgesamt schwingungsarm ist. Das Ventilelement gleitet dabei tangential über den Außenumfang der Zylinderhülse, so dass keine Bauteile gegen den anstehenden Kühlmitteldruck angehoben oder bewegt werden müssen. Durch die verringerte Kondensationsneigung des Kühlmittels kommt es zu weniger Kühlmittelansammlungen im Rohr, so dass Thermoschockeffekte wirksam vermieden werden. Der erfindungsgemäße Einspritzkühler ermöglicht ferner die Realisierung hoher Stellverhältnisse, weil insbesondere durch das Ventilelement der zweiten Drosselstufe keine Spaltströme auftreten. Damit lassen sich Stellverhältnisse von bis zu 100 realisieren (maximale Durchflussmenge/minimale Durchflussmenge).
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Über die in der Zylinderhülse eingebrachten Steueröffnungen und das gleitend auf dem Außenumfang der Zylinderhülse aufliegende Ventilelement ist es ferner möglich, den Druckabbau derart zu gestalten, dass der Druck, der in dieser weiteren Drosselstufe abgebaut bzw. reduziert wird, exakt identisch ist zu dem Druckabbau, der in den beiden anderen Stufen erzielt wird, so dass die Regelung in jeder Stellung des Regelorgans exakt gleichförmig über sämtliche Drosselstufen ausgeführt wird. Zudem ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung die Regelung aller Drosselstufen über denselben Antrieb, namentlich über den Antrieb des Regelorgans. Dazu trägt insbesondere bei, wenn die Zylinderhülse das Regelorgan und die Düsenspindel drehfest miteinander koppelt, wobei die Zylinderhülse die Düsenspindel drehfest übergreift.
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Konstruktiv ist es weiter günstig, wenn das Regelorgan und die Zylinderhülse einstückig sind. Dadurch werden Schweißstellen vermieden, die zu Schwachstellen führen können.
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Gemäß einer wichtigen Weiterbildung der Erfindung liegt das Ventilelement in radialer Richtung zur Längsachse mit einer Dichtfläche formschlüssig an dem Außenumfang der Zylinderhülse an. Die Dichtfläche sorgt für einen zuverlässigen und stets dichten Verschluss der Steueröffnungen in der Zylinderhülse. Gleichzeitig wird der Antrieb des Regelorgans relativ gering beansprucht, weil nur einzelne Drehimpulse durchgeführt werden müssen, um die Zylinderhülse reativ zu dem Ventilelement zu bewegen. Dies wirkt sich zudem günstig auf den Energieverbrauch aus.
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Die Dichtfläche des Ventilelements ist bevorzugt konkav ausgebildet, d.h. das Ventilelement liegt lediglich mit einem Randbereich dichtend auf dem Außenumfang der Zylinderhülse auf, während sich die übrige Stirnfläche des Ventilelements radial von dem Außenumfang der Zylinderhülse abhebt. Dadurch wird verhindert, dass das unter Druck stehende Kühlmittel das Ventilelement von dem Außenumfang der Zylinderhülse abhebt und unkontrolliert in die Düsenspindel eindringen kann. Die Steueröffnungen in der Zylinderhülse werden – je nach Drehstellung – mithin stets kontrolliert verschlossen oder geöffnet. Leckströmungen werden wirksam vermieden. Zudem ist die Reibung zwischen dem Ventilelement und der Zylinderhülse relativ gering, so dass für den Regelantrieb kein zusätzlicher Energiebedarf notwendig ist.
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Eine weitere wichtige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Ventilelement ein Kolben ist, der in radialer Richtung zur Längsachse längsverschieblich in dem Gehäuse gelagert ist, wobei das Ventilelement in radialer Richtung zur Längsachse mit einer Kraft beaufschlagt ist. Diese Lösung lässt besonders kostengünstig und robust ausführen, so dass der Einspritzkühler eine insgsamt hohe Standzeit aufweist. Auch wird hierdurch eine stets optimale Dichtung erreicht, die selbst hohen Temperaturen zuverlässig standhält.
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Zweckmäßig wird die Kraft von einer Druckfeder oder einem Druckfederpaket erzeugt, das optimal den notwendigen Anpressdruck erzeugt, ohne den Antrieb zusätzlich zu belasten. Zudem werden dadurch Temperaturdehnungen stets optimal ausgeglichen, d.h. das Ventilelement und die Zylinderhülse können weder verkanten noch blockieren, was sich weiter günstig auf die Zuverlässigkeit auswirkt.
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Mit Vorteil ist das Ventilelement über die Druckfeder an einem Flansch abgestützt, der an oder in dem Gehäuse befestigt ist. Dadurch wird nicht nur der konstruktive Aufwand weiter verringert, auch die Montage ist deutlich vereinfacht, weil nur wenige Komponenten montiert werden müssen.
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Eine weitere wichtige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Bereich zwischen dem Ventilelement und dem Flansch über eine Verbindung mit dem Innenraum des Gehäuses verbunden ist. Eine solche Verbindung kann parallel zur Längsachse des Ventilelements als Nut ausgebildet sein, die im Außenumfang des Ventilelements eingebracht ist und stirnseitig vor dem Flansch endet.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Einspritzkühlers;
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2 eine Ausschnittsvergrößerung von 1,
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3 eine Schrägansicht der weiteren Drosselstufe des erfindungsgemäßen Einspritzkühlers, und
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4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie I-I in 2.
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Der in den 1 bis 4 allgemein mit 10 bezeichnete Einspritzkühler ist für den Einsatz in einem (nicht näher gezeigten) Kraftwerk konzipiert. Er soll Heißdampf, der in einer Rohrleitung 20 der Kraftwerks-Anlage geführt wird, auf eine vorgegebene Temperatur abkühlen, indem ein flüssiges Kühlmittel, beispielweise Wasser, in die Rohrleitung 20 bzw. in den Dampfstrom eingespritzt wird.
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Der Einspritzkühler 10 hat dazu ein Gehäuse 30, ein in dem Gehäuse 30 um eine Längsachse A drehbar gelagertes Regelorgan 40 sowie einen an das Gehäuse 30 anschließenden Einspritzzylinder 60, der koaxial zur Längsachse A ausgebildet ist und als Kühllanze in die Rohrleitung 20 hineinragt. Endseitig und damit innerhalb der Rohleitung 20 weist der Einspritzzylinder 60 mehrere (in 1 nicht sichtbare) Einspritzdüsen 70 auf, die das flüssige Kühlmittel in dem in der Rohrleitung 20 geführten Heißdampf versprühen.
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Das Gehäuse 30 ist für die Kühlmittelversorgung über einen seitlichen Anschluss 50 an eine (nicht dargestellte) Kühlmittelleitung angeschlossen, wobei der Anschluss 50 – wie in 1 gezeigt – bevorzugt über einen ersten Flansch 52 dicht mit dem Gehäuse 30 verbunden ist, während die Kühlmittelleitung an einem zweiten Flansch 53 befestigt wird. Innerhalb des Anschlusses 50 ist ein Zulaufkanal 54 ausgebildet, über den das Kühlmittel unmittelbar dem Regelorgan 40 zugeführt wird. In einer alternativen Ausführungsform kann der Anschluss 50 auch einstückig mit dem Gehäuse 30 sein. Ferner kann man die Kühlmittelleitung auch direkt an das Gehäuse 30 anschließen.
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Das Regelorgan 40 ist eine Regelspindel, mit einer Drehwelle 41 und einer Ventilkugel 42, wobei letztere im Bereich des Zulaufkanals 54 vorgesehen ist. Die Ventilkugel 42 weist an ihrem Außenumfang 43 eine Steueröffnung 44 auf, mit der – je nach Drehwinkelstellung des Regelorgans 40 bzw. der Ventilkugel 42 – die Menge und der Druck des in das Gehäuse 30 einströmenden Kühlmittels geregelt werden kann. Die Steueröffnung 44 kann als Lochmuster ausgebildet sein oder – wie in 2 zu sehen – als Schlitzkontur.
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Der Zulaufkanal 54 für das Kühlmittel wird von einer in der Wandung 31 des Gehäuses 30 eingebrachten radialen Ausnehmung 32 fortgesetzt. In dieser ist ein zylindrischer Sitzring 33 eingesetzt, der mit seinen inneren Rand 34 dichtend an dem (nicht näher bezeichneten) Außenumfang der Kugel 42 des Regelorgans 40 anliegt. Um eine druckfeste Abdichtung der Ventilkugel 42 zu erreichen, ist der Sitzring 33 senkrecht zur Längsachse A axialverschieblich in der Ausnehmung 32 eingesetzt und radial zur Kugel 42 von einer Druckfeder 35 belastet, die sich in dem Gehäuse 30 abstützt.
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An seiner der Rohrleitung 20 zugewandten Unterseite ist das Gehäuse 30 mit einem Anschlussflansch 36 versehen. Mit diesem wird der Einspritzkühler 10 an der Rohrleitung 20 montiert, die mit einem entsprechenden Aufnahmeflansch 26 versehen ist.
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An seiner der Rohrleitung 20 abgewandten Oberseite trägt das Gehäuse 30 ein Lagergehäuse 37 mit einer (nicht näher bezeichneten) Stopfbuchspackung. In dieser ist die Drehwelle 41 des Regelorgans 40 druckdicht und drehbar gelagert. Die Drehwelle 41 ist bevorzugt einstückig mit der Ventilkugel 42. Sie ragt mit einem Ende 46 endseitig aus dem Gehäuse 30 heraus und ist dort mit einem (nicht dargestellten) Stellantrieb verbunden, der mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch arbeiten kann und die Regelspindel 40 bevorzugt über einen Schwenkbereich von 90° dreht, so dass die Ventilkugel 42 von einer Schließstellung in eine maximale Öffnungsstellung gedreht werden kann und umgekehrt. Eine unmittelbar über der Ventilkugel 42 im Gehäuse 30 angeordnete Lagerbuchse 38 sorgt für eine präzise Lagerung des Regelorgans 40 im Gehäuse, so dass dieses von dem Stellantrieb weitgehend spielfrei und präzise um die Längsachse A gedreht werden kann.
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Unterhalb der Ventilkugel 42 weist das Regelorgan 40 an seinem dem Einspritzzylinder 60 zugewandten Ende eine Zylinderhülse 100 auf, die – wie beispielsweise 3 näher zeigt – nach unten in Richtung Einspritzzylinder 60 offen und in der entgegengesetzten Richtung zur Ventilkugel 42 hin geschlossen ist. Die Zylinderhülse 100 ist vorzugsweise einstückig mit der Ventilkugel 42. Sie hat eine zylindrische Wandung 101 mit einem Außenumfang 102, wobei in der Wandung 101 radial zur Längsachse A Steueröffnungen 104 für den Durchlass des Kühlmittels ausgebildet sind.
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Das untere Ende 105 der Zylinderhülse 100 sitzt in einer weiteren Lagerbuchse 39, die koaxial zur Längsachse A im Gehäuse 30 ausgebildet ist, so dass die Ventilkugel 42 stets zuverlässig im Gehäuse 30 gelagert ist. Die Lagerbuchse 39 ist in einer Ausnehmung 139 im Gehäuse fest eingepresst, während zwischen der Lagerbuchse 39 und der Zylinderhülse 100 ein definiertes Lagerspiel vorhanden ist. Letzteres ist von Vorteil, damit sich die Zylinderhülse 100, die über den Einspritzzylinder 60 thermisch mit dem heißen Dampf in der Rohrleitung 20 in Kontakt steht, im Bedarfsfall ausdehnen kann und sich das Regelorgan 40 in der Lagerhülse 39 nicht festsetzt. Zwischen der Lagerhülse 39 und der Zylinderhülse 100 ist ein Kolbenring 106 angeordnet, um die Zylinderhülse 100 gegenüber der Lagerbuchse 39 abzudichten. Der Kolbenring 106 sitzt bevorzugt in einer Nut 107, die im Außenumfang 102 der Wandung 101 ausgebildet ist. Der Kolbenring 106 verhindert, dass Kühlmittel unkontrolliert aus dem Gehäuse 30 austreten kann.
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Auf dem Außenumfang 102 der Wandung 101 der Zylinderhülse 100 ist ein Ventilelement 110 gleitend aufgesetzt. Letzteres ist bevorzugt als Kolben ausgebildet, der in radialer Richtung zur Längsachse L längsverschieblich in der Wandung 31 des Gehäuses 30 gelagert ist. Letzteres ist hierzu mit einer radialen Ausnehmung 132 versehen.
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Man erkennt, dass das Ventilelement 110 entlang der Längsachse A in Höhe der Steueröffnungen 104 der Zylinderhülse 100 liegt und dass die Steueröffnungen 104 in Schließstellung des Regelorgans 40 von dem Ventilelement 110 vollständig abgedeckt sind (siehe dazu 4). Das Ventilelement 110 hat dazu eine Dichtfläche 112, mit der es in radialer Richtung zur Längsachse L an dem Außenumfang 102 der Zylinderhülse 100 anliegt. Auf der gegenüber liegenden Seite hat das Ventilelement 110 eine Stirnfläche 113, die im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
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Um eine druckfeste Abdichtung des Ventilelements 110 gegenüber der Zylinderhülse 100 zu gewährleisten, ist das Ventilelement 110 senkrecht zur Längsachse A und mithin in Richtung der Längsachse L verschieblich in der Ausnehmung 132 des Gehäuses 30 eingesetzt und mit einer permanenten Kraft beaufschlagt. Letztere wird von wenigstens einer Druckfeder 130 aufgebracht, die innerhalb der Ausnehmung 132 hinter der Stirnfläche 113 des Ventilelements 110 angeordnet ist und sich auf der dem Ventilelement 110 abgewandten Seite an einem Flansch 140 abstützt. Dieser ist hierzu mit einer entsprechenden Stirnfläche 143 versehen. Je nach gewünschten Anpressdruck werden mehrere Druckfedern 130 verwendet, die gemeinsam ein Druckfederpaket bilden.
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Der Flansch 140 ist mittels Dehnschrauben 141 und Muttern 142 druckdicht am Gehäuse 30 befestigt, wobei letzteres mit einer ebenen Anlagefläche 134 für den Flansch 140 versehen ist. Das Ventilelement 110 stützt sich über die Druckfedern 130 an dem Flansch 140 ab und wird von den Druckfedern 130 mit der Dichtfläche 112 gegen die Zylinderhülse 100 gedrückt.
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Um zu verhindern, dass die Dichtfläche 112 des Ventilelements 110 während des Betriebes des Einspritzkühlers 10 von dem in den Innenraum 131 des Gehäuses 30 einströmenden und durch die Steueröffnungen 104 der Zylinderhülse 100 hindurch in die Düsenspindel 80 einströmenden Kühlmittel angehoben wird, ist – wie insbesondere die 2 und 4 weiter zeigen – die Dichtfläche 112 bezogen auf den Außenumfang 102 der Zylinderhülse 100 konkav ausgebildet, d.h. der Kolben 110 bildet konzentrisch zu einer Längsachse L des Ventilelements 110 einen Dichtrand 114 und eine sich radial gegenüber dem Außenumfang 102 der Zylinderhülse 100 erhebende Hohlfläche 115, wobei der Dichtrand 114 des Kolbens 110 mit seiner Dichtfläche 112 formschlüssig und dicht auf der Zylinderhülse 100 aufliegt. Dreht sich die Zylinderhülse 100 um die Achse A, gleitet der Dichtrand 114 mit der Dichtfläche 112 über den Außenumfang 102 der Zylinderhülse 100.
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Im Außenumfang 116 des Ventilelements 110 ist zudem parallel zu dessen Längsachse L wenigstens eine Nut 117 ausgebildet. Diese verbindet als eine Art Bypass den Innenraum 131 des Gehäuses 30 mit dem Bereich, in dem die Druckfedern 130 angeordnet sind. Folglich sind der Bereich zwischen der rückwärtigen Stirnfläche 113 des Ventilelements 110 und der Stirnfläche 143 des Kolbens 110 mit dem Innenraum 131 des Gehäuses 30 verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 sind insgesamt zwei Nuten 117 als Strömungsverbindungen vorgesehen, die sich auf dem Außenumfang 116 des Ventilelements 110 bevorzugt diametral gegenüber liegen. Dadurch ist hinter dem Ventilelement 110 eine gleichmäßige Druckverteilung gewährleistet. Man kann allerdings – je nach Bedarf und Einsatzzweck – auch mehr Nuten 117 verwenden.
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Durch die Ausbildung der konkaven Dichtfläche 112 am Ventilelement 110 und der Verbindung 117 zwischen dem Innenraum 131 des Gehäuses 30 und dem Bereich zwischen der rückwärtigen Stirnfläche 113 des Ventilelements 110 und der Stirnfläche 143 des Kolbens 110 gelangt der im Innenraum 131 des Gehäuses 30 herrschende Druck des Kühlmediums als resultierende zusätzliche Anpresskraft hinter das Ventilelement 110, während der Druck vor der konkaven Hohlfläche 115 der Dichtfläche 112 des Ventilelements 110 dem Druck entspricht, der nach der Drosselung in der Zylinderhülse 100 herrscht. damit kann das Ventilelement 110 von dem durch das Gehäuse 30 strömenden Kühlmittel nicht angehoben und damit nicht von der Zylinderhülse 100 abgehoben werden. Das Ventilelement 110 liegt vielmehr dauerhaft sicher und stets dicht an der Zylinderhülse 100 an.
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Um die Montage des Ventilelements 110 zu vereinfachen, ist dieses rückseitig mit einer Gewindebohrung 144 versehen.
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Man erkennt, dass die Zylinderhülse 100 des Regelorgans 40 und das Ventilelement 110 gemeinsam eine weitere Drosselstufe 90 für das Kühlmittel bilden, denn mit den Steueröffnungen 104 in der Zylinderhülse 100 und dem Ventilelement 110 kann – je nach Drehstellung des Regelorgans 40 – die Menge und der Druck des von dem Gehäuse 30 in die Zylinderhülse 100 einströmenden Kühlmittels geregelt werden. Die Steueröffnungen 104 können hierbei eine Schlitzkontur bilden oder – wie in 2 und 3 zu sehen – als Lochmuster ausgebildet sein.
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In dem Einspritzylinder 60 ist koaxial zur Längsachse L eine Düsenspindel 80 drehbar gelagert, die im Bereich der Einspritzdüsen 70 mit Steueröffnungen 84 für den Durchlass des Kühlmittels versehen ist. Die Düsenspindel 80 ist – ebenso wie die Regelspindel 40 – innerhalb des Einspritzzylinders vorzugsweise um 90° drehbar, wobei in einer Schließstellung alle Steueröffnungen 84 verdeckt sind, so dass die Einspritzdüsen 70 allesamt geschlossen sind. Dreht man die Düsenspindel 80 in Öffnungsrichtung, werden über die Steueröffnungen 84 und deren Anordnung relativ zueinander nach und nach die Einspritzdüsen 70 geöffnet, wobei das Kühlmittel symmetrisch und stets mittig in die Rohrleitung 20 eingesprüht wird. Über die Geometrie der Steueröffnungen 84 und deren Öffnungsgrad kann die Menge und der Druck des aus der Düsenspindel 80 in die Einspritzdüsen 70 und über diese in die Rohrleitung 20 einströmenden Kühlmittels geregelt werden.
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Um die Drehbewegung des Regelorgans 40 auf die Düsenspindel 80 zu übertragen, sind beide Teile drehfest miteinander gekoppelt. Hierzu ist die Düsenspindel 80 mit ihrem oberen Ende 82 in die nach unten offene Zylinderhülse 100 des Regelorgans 40 eingesetzt, wobei radial in die Düsenspindel 80 und in die Wandung 101 der Zylinderhülse 100 eingebrachte Zylinderstifte 83 für eine feste Verbindung sorgen. Damit die Steueröffnungen 44, 84 und 104 in der Ventilkugel 42, der Düsenspindel 80 und der Zylinderhülse 100 stets synchron und in gleichem Maße geöffnet werden, muss die Düsenspindel 80 relativ zur Zylinderhülse in einem definierten Winkel montiert werden. Aus diesem Grund ist zwischen der Düsenspindel 80 und der Zylinderhülse 100 ein Passstift 86 vorgesehen, der in einen zugehörigen Schlitz 108 am unteren Ende 105 der Zylinderhülse 100 eingreift. Dadurch wird die Montage deutlich erleichtert und Fehlstellungen zwischen der Düsenspindel 80 und dem Regelorgan 40 vermieden.
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Damit verfügt der erfindungsgemäße Einspritzkühler 10 über ein Drehsystemen, welches den Kühlmittelzufluss in die Rohrleitung 20 über eine Drehbewegung des Regelorgans 40, der Zylinderhülse 100 und der Düsenspindel 80 regelt. In Schließstellung, bei der keine zusätzliche Kühlung für den Dampf bereitgestellt werden soll, ist die Ventilkugel 42 des Regelorgans 40 so gedreht, dass die Steueröffnung 44 der Kugel 42 an keiner Stelle am Sitzring 33 anliegt. Die Kühlmittelzufuhr ist damit geschlossen. Zudem deckt auch das Ventilelement 110 sämtliche Steueröffnungen 104 in der Zylinderhülse 100 ab. Ebenso sind die Steueröffnungen 84 in der Düsenspindel 80 verschlossen.
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Dreht man das Regelorgan 40 bzw. die Regelspindel aus der Schließstellung in Öffnungsrichtung, gelangt die Steueröffnung 44 in der Kugel 42 über den Sitzring 33 und Kühlmittel kann von dem Zulaufkanal 54 durch die Kugel 42 hindurch in einen Innenraum 131 des Gehäuses 30 einfließen. Je nach Winkelstellung wird die Kühlmittelmenge reguliert und der Druck des Kühlmittels reduziert, d.h. die Regelspindel 40 bildet mit ihrer Ventilkugel eine erste Drosselstufe.
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Eine zweite Drosselstufe 90 wird zwischen dem Regelorgan 40 und der Düsenspindel 80 von der Zylinderhülse 100 und dem Ventilelement 110 gebildet. Dreht sich die Zylinderhülse 100 synchron mit dem Regelorgan 40 in Öffnungsrichtung gibt das Ventilelement 110 nach und nach die Steueröffnungen 104 in der Zylinderhülse 100 frei, so dass auch hier die Kühlmittelmenge reguliert und der Druck des Kühlmittels gezielt herabgesetzt wird, vorzugweise in gleichem Maße wie in der ersten Drosselstufe.
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Sind die Steueröffnungen 104 der zweiten Drosselstufe 90 geöffnet, strömt das Kühlmittel aus dem Innenraum 131 des Gehäuses durch die Bohrungen 104 hindurch in das Innere der Zylinderhülse 100 und von dort aus in die Düsenspindel 80. Diese liegt wiederum drehbar innerhalb der Kühllanze 60, in der sich die Einspritzdüsen 70 befinden. Die Düsenspindel 80 ist innerhalb der Kühllanze 60 um 90° drehbar. In Schließstellung (keine Kühlung) verdeckt die Düsenspindel 60 alle Einspritzdüsen 70. Sobald sich die Düsenspindel 80 gemeinsam und synchron mit dem Regelorgan 40 und der Zylinderhülse 100 in Öffnungsrichtung dreht, werden nach und nach die Einspritzdüsen 70 von den Steueröffnungen 84 freigegeben und das Kühlmittel strömt aus dem Inneren der Düsenspindel 80 über die Einspritzdüsen 70 in die Rohrleitung, wobei entsprechend der Öffnungsstellung und des Öffnungsgrades der Steueröffungen 84 die Kühlmittelmenge reguliert und der Druck des Kühlmittels gezielt herabgesetzt wird. Die Steueröffnungen 84 der Düsenspindel 80 bilden folglich eine dritte Drosselstufe.
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Ein großer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass sich aufgrund der Drehbewegung keine Einschränkungen ergeben, welche Einspritzdüse 70 zuerst geöffnet werden soll. Damit kann das Kühlmittel stets symmetrisch und mittig in die Rohrleitung 20 eingesprüht werden. Die Kühlmittelmenge sowie die Verteilung wird rein über die Drehbewegung der Ventilkugel 42, der Zylinderhülse 100 und der Düsenspindel 80 reguliert, die allesamt fest miteinander verbunden sind.
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Folglich wird das Kühlmittel immer mittig am Punkt der höchsten Dampfgeschwindigkeit in der Rohrleitung 20 eingebracht. Dies führt zu einer erheblich verbesserten Kühleffizienz im Vergleich zu Hubsystemen und zur Minimierung der Kühlmittelansammlungen in der Rohrleitung 20. Der Verschleiß ist im Vergleich zu anderen Systemen erheblich geringer. Weil das Kühlmittel durch das Innere des Regelorgans 40 und der Düsenspindel 80 geleitet wird, gerät das Gesamtsystem weniger leicht in Schwingung. Das Regelorgan 40 und die Zylinderhülse 100 sind zudem einstückig, d.h. es gibt keine Schwachstelle an einer Schweißnaht. Durch die Drehbewegung wird ferner sichergestellt, dass keine Verunreinigungen in die Abdichtung nach außen (Stopfbuchspackung) eingezogen werden können. Da beim Öffnen der Drosselstufen keine zwingenden Spaltströme auftreten, können Stellverhältnisse von bis zu 100 (maximale Durchflussmenge/minimale Durchflussmenge) erreicht werden.
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Der erfindungsgemäße Einspritzkühler 10 ist deutlich weniger kostenintensiv im Betrieb als herkömmliche System. Das symmetrische und mittige Einsprühen sorgt für eine maximale Kühleffizienz, wobei weniger Kühlmittel und weniger Energie benötigt wird. Das System ist weniger verschleißanfällig und erzeugt dadurch geringere Wartungskosten. Da die Kühllanze 60 einteilig mit dem Gehäuse 30 ist, kann sich auch hier keine Schweißnaht lösen. Kostenintensive Turbinendefekte sind ausgeschlossen. Auch der Antrieb ist weniger energieintensiv, da immer nur kurze Regelimpulse durchgeführt werden müssen, zumal die Regelspindel 40, die Zylinderhülse 100 und die Düsenspindel 80, sobald sie einmal in Position gedreht wurden, diese auch selbständig halten.
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Der erfindungsgemäße Einspritzkühler 10 ist überdies umweltfreundlich, weil auf Grund der besseren Kühleffizienz weniger Kühlmittel und Energie benötigt werden, weil die Regelspindel 40, die Zylinderhülse 100 und die Düsenspindel 60, wenn sie einmal in Position gedreht sind, stabil in Position bleiben und nicht durch den Antrieb in Position gehalten werden müssen. Der Antrieb verbraucht dementsprechend nur bei den kurzen Drehimpulsen Energie, und der Weg, der durch den Antrieb bei einer Drehbewegung erzeugt werden muss, maximal 90° beträgt und äußerst gering ist.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht aber darin, dass der erfindungsgemäße Einspritzkühler 10 als Drehsystem mit einer dreistufigen Drosselung ausgestattet ist und dass er damit Differenzdrucke von 100 bar bis 200 bar, vorzugsweise von 100 bar bis 150 bar, prozesssicher beherrschen kann.
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Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. So kann man beispielsweise entlang der Längsachse A nicht nur eine weitere Drosselstufe 90 vorsehen, sondern zwei oder mehr, indem beispielsweise die Zylinderhülse 100 entsprechend verlängert oder zusammen mit dem Ventilelement 110 dupliziert wird. Anstelle der darin vorgesehenen Nut 117 kann auch eine (nicht näher dargestellte) Nut im Innenumfang der Ausnehmung 132 des Gehäuses 30 ausgebildet sein, die den Innenraum 131 des Gehäuses 30 mit dem Bereich zwischen dem Ventilelement 110 und dem Flansch 140 verbindet, so dass der Druck des Kühlwassers ebenso wie die Druckfedern 130 von hinten auf das Ventilelement 110 einwirken kann. Über den Zylinderumfang verteilt können auch hier mehrere Nuten vorgesehen sein, insbesondere um eine gleichmäßige Druckverteilung zu gewährleisten. Alternativ ist es möglich, anstelle der Nuten im Ventilelement und/oder in der Ausnehmung 132 eine Bohrung oder einen Kanal im Gehäuse 30 auszubilden, vorzugsweise in der Wandung 31 des Gehäuses 30, wobei auch dieser Kanal den Bereich zwischen der rückwärtigen Stirnfläche 113 des Ventilelements 110 und der Stirnfläche 143 des Kolbens 110 mit dem Innenraum 131 des Gehäuses 30 verbindet. Möglich ist auch, sowohl eine Nut als auch einen Kanal vorzusehen.
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Man erkennt, dass ein erfindungsgemäßer Einspritzkühler 10 zur Kühlung von in einer Rohrleitung 20 geführtem Heißdampf ein in einem Gehäuse 30 um eine Längsachse A drehbar gelagertes Regelorgan 40, einen Anschluss 50 für eine Kühlmittelversorgung, wobei das Kühlmittel über einen Zulaufkanal 54 dem Regelorgan 40 zugeführt wird, und wobei das Regelorgan 40 mit wenigstens einer Steueröffnung 44 für den Durchlass des Kühlmittels versehen ist, einen Einspritzzylinder 60, der mit Einspritzdüsen 70 versehen ist, eine in dem Einspritzzylinder 60 um die Längsachse A drehbar gelagerte Düsenspindel 80, wobei die Düsenspindel 80 im Bereich der Einspritzdüsen 70 mit Steueröffnungen 84 für den Durchlass des Kühlmittels versehen ist, und wobei das Regelorgan 40 und die Düsenspindel 80 drehfest miteinander gekoppelt sind, und eine zwischen dem Regelorgan 40 und der Düsenspindel 80 angeordnete weitere Drosselstufe 90 für das Kühlmittel hat. Die weitere Drosselstufe 90 wird von einer Zylinderhülse 100 und einem federbelasteten und längsverschieblich in dem Gehäuse 30 gelagerten Ventilelement 110 gebildet, wobei in der Zylinderhülse 100 Steueröffnungen 104 für den Durchlass des Kühlmittels ausgebildet sind, und wobei das Ventilelement 100 mit einer konkaven Dichtfläche 112 gleitend auf dem Außenumfang 102 der Zylinderhülse 100 aufsitzt und in Abhängigkeit von der Drehstellung des Regelorgans 40 die Steueröffnungen 104 in der Zylinderhülse 100 verschließt
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Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Längsachse
- L
- Längsachse
- 10
- Einspritzkühler
- 20
- Rohrleitung
- 26
- Aufnahmeflansch
- 30
- Gehäuse
- 31
- Wandung
- 32
- Ausnehmung
- 33
- Sitzring
- 34
- Rand
- 35
- Druckfeder
- 36
- Anschlussflansch
- 37
- Lagergehäuse
- 38
- Lagerbuchse
- 39
- Lagerbuchse
- 40
- Regelorgan
- 41
- Drehwelle
- 42
- Ventilkugel
- 43
- Außenumfang
- 44
- Steueröffnung
- 46
- Ende
- 50
- Anschluss
- 52
- Flansch
- 53
- Flansch
- 54
- Zulaufkanal
- 60
- Einspritzzylinder
- 70
- Einspritzdüse
- 80
- Düsenspindel
- 82
- oberes Ende
- 83
- Zylinderstift
- 84
- Steueröffnung
- 86
- Passstift
- 90
- Drosselstufe
- 100
- Zylinderhülse
- 101
- Wandung
- 102
- Außenumfang
- 104
- Steueröffnung
- 105
- Ende
- 106
- Kolbenring
- 107
- Nut
- 108
- Schlitz
- 110
- Ventilelement/Kolben
- 112
- Dichtfläche
- 113
- Stirnfläche
- 114
- Dichtrand
- 115
- Hohlfläche
- 116
- Außenumfang
- 117
- Nut
- 130
- Druckfeder
- 131
- Innenraum
- 132
- Ausnehmung
- 134
- Anlagefläche
- 139
- Ausnehmung
- 140
- Flansch
- 141
- Schraube
- 142
- Mutter
- 143
- Stirnfläche
- 144
- Gewindebohrung
